超透镜集成显微镜的演示与超分辨率成像

本实验方案的总体目标是展示二维超透镜器件的制备过程及其亚衍射成像。这种新型的超分辨率成像技术具有实时成像和易于与传统光学系统集成的优点。该方法有助于解决超分辨率成像领域中的关键问题，例如对活细胞和亚衍射极限下的动态纳米颗粒进行成像。

超透镜是一种具有多层结构的特殊球面透镜，其色散关系呈平坦的双曲线形式，能够放大高频信息，并在远场实时实现与类似光学系统相当的分辨率。球面超透镜的主要优势在于，它能够在可见光频率下放大二维信息。此外，球面超透镜可以轻松集成到传统显微镜系统中，无需额外复杂的装置。

演示该实验步骤的是我实验室的研究生 Dasol Lee 和 Inki Kim。首先，在石英晶圆上旋涂正性光刻胶，转速为 2,000 rpm，随后在 90 摄氏度下烘烤 60 秒。然后，使用划片机将涂有光刻胶的晶圆切割成 20 毫米 × 20 毫米的正方形小片。

使用压缩氮气枪吹扫碎片，以去除切割步骤产生的任何颗粒物。接着，将切割后的晶圆置于去离子水中进行超声波清洗，温度为45摄氏度，持续五分钟。随后，使用丙酮超声波浴去除光刻胶层，温度为45摄氏度，持续五分钟。

然后，将基底放入45摄氏度的异丙醇超声波清洗槽中清洗五分钟。使用压缩氮气枪将基底吹干。为了刻蚀掩模图案，首先将洁净的石英基底装入高真空电子束蒸发系统中。

以每秒两个埃的沉积速率沉积铬层。按下放气按钮以对腔室进行放气。使用导电铜胶带将样品固定在聚焦离子束（FIB）样品台上。

然后，将FIB样品台装入FIB腔室。关闭腔室门，按下抽气按钮以抽真空。在电子束控制选项卡下选择“Beam On”，并为FIB模式设置离子束电流和加速电压。

打开离子束系统。在束流控制选项卡下选择“开启束流”以启动电子束，并使用软件以低倍率聚焦图像。然后，在扫描电子显微镜模式下，于导航选项卡中将工作距离设置为四毫米。

将样品台的倾斜角度设置为52度，并在制作孔阵列掩模图形之前，以不同放大倍数采集扫描电镜图像。在图案化选项卡下，选择图案化区域，并在铬层上制作50纳米的孔阵列。完成后，关闭电子束和离子束系统并使其冷却。

按下排气按钮，用氮气对腔室进行排气。然后，将样品 holder 从腔室中取出。接着，将带有图案的基底放入 1 至 10 的缓冲氧化物刻蚀液中刻蚀五分钟。

将图案化基底放入去离子水中清洗，以去除缓冲氧化物刻蚀液。然后用压缩氮气吹干样品。将图案化基底放入铬刻蚀液中，以去除铬掩模层。

最后，将带有图案的基底放入去离子水中清洗五分钟。按下电子束蒸发系统的放气按钮，并等待放气过程结束。放气完成后，将带有图案的基底装入高真空电子束蒸发系统中。

关闭腔室门，按下泵按钮抽真空。以每秒一个埃的生长速率沉积银层，共沉积厚度为15纳米的银层。银层沉积完成后，将基底冷却五分钟。

通过选择另一个坩埚更换电子束蒸发系统的料槽，并以每秒一埃的生长速率沉积二氧化钛层。随后，沉积一层15纳米厚的二氧化钛层。二氧化钛层沉积完成后，使衬底冷却五分钟。

重复沉积步骤数十个循环，以沉积多层银和二氧化钛。更换电子束蒸发系统的坩埚，沉积厚度为50纳米的铬层。铬层沉积完成后，关闭电子束蒸发系统。

按下排气按钮，通过引入氮气对腔室进行排气。排气完成后，打开腔室门，将样品托架从腔室内取出。取下制备好的超透镜器件。

然后，关闭腔室门，按下泵按钮对腔室进行抽真空。将沉积有铬的超透镜安装到聚焦离子束（FIB）刻蚀系统中，并根据制造商的说明加工出纳米尺度的结构。接下来，将一台常规透射式光学显微镜放置在光学平台上。

使用适配器将白光光源连接到显微镜照明光路。放置中心波长为 410 纳米的光学带通滤光片。选择高倍油浸物镜，并使用高质量的 CCD 相机获取图像。

在物镜上滴加一滴浸油。最后，将超透镜放置在样品台上并采集图像。图中所示的超透镜由银和二氧化钛交替沉积形成的多层结构组成。

横截面图像显示，银和二氧化钛薄膜的多层结构被均匀地沉积在半球形石英基底上。由银和二氧化钛构成的超透镜在410纳米波长下表现出优异性能，因为该多层堆叠结构的色散关系呈现出如图所示的双曲色散曲线。高空间波矢分量可沿超透镜的径向方向传播。

通过有限元模拟计算可知，具有高频成分的小尺度特征无法被传统光学系统捕捉，但可以通过超透镜传播至远场。 fabrication 之后，超透镜可集成到传统显微镜系统中，如本图所示的超透镜成像系统的简单示意图。超透镜放置在物镜上。

为了演示超透镜的功能，一个人工图案被刻在超透镜的内表面。结果显示了通过超透镜捕获的图像。在每种情况下，间隙尺寸均为160纳米至180纳米。

亚衍射极限特征得以分辨，且可验证超透镜的超分辨能力。超透镜的发展为超分辨率成像技术探索纳米级生物分子机器和无机纳米颗粒铺平了道路。观看本视频后，您将能够充分理解如何制备高质量的超透镜，并搭建属于自己的超分辨率成像系统。

我们预期，通过采用可扩展且可重复的制造方法，超透镜技术在实用性方面将得到提升。超透镜将使科学家能够实时观察纳米尺度下的生物物理动态过程，并可在生物学、医学、材料科学和纳米技术等多种领域中作为下一代超分辨率成像工具使用。